一种软岩隧洞拱部围岩应力分散型锚固支护系统

本发明属于软岩隧洞工程领域，尤其涉及一种软岩隧洞拱部围岩应力分散型锚固支护系统。

背景技术：

1、在软岩隧洞的建设过程中，面临的地质条件极端复杂，存在高地应力软岩大变形等问题。高地应力软岩隧洞施工期间具有围岩变形量大、变形速率快等特点，隧洞支护后极易出现支护结构变形侵限、衬砌开裂、初期支护钢架扭曲等一系列工程问题。软岩大变形的锚固支护中，锚杆不仅需要具有较高的承载力，而且还需要能够适应较大的围岩变形而不发生破坏。

2、常规的锚杆包括全长黏结型锚杆、端锚型锚杆、摩擦型锚杆三种，其中全长黏结型锚杆虽然锚固力较高，但是抵抗围岩变形的能力不足；端锚型锚杆和摩擦型锚杆虽然能适应围岩的大变形，但是锚固力较低，难以对围岩变形形成有效控制。可见，常规的锚杆支护具有锚固力不足或变形能力不足的缺点，难以适应软岩隧洞工程产生的大变形问题，提出一种同时具有高锚固力和高可变形能力的锚杆成为了克服这一问题的关键。

3、众所周知，锚杆的锚固力主要来源于注浆层-围岩界面剪切应力的积分，但界面剪应力的分布范围总是有限的，即在锚杆长度超过临界长度后，锚杆的锚固力将不再增加。特别是在软岩隧洞中，锚固界面的黏结强度本身较低，锚杆更容易发生渐进式的界面脱黏破坏。所以，在软岩隧洞中，如何提高界面剪应力的作用范围，形成锚杆与初期支护钢架联合受力的支护体系，是保证软岩隧洞拱部围岩稳定性的关键。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种软岩隧洞拱部围岩应力分散型锚固支护系统，该软岩隧洞拱部围岩应力分散型锚固支护系统可以提高界面剪应力的作用范围。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、一种软岩隧洞拱部围岩应力分散型锚固支护系统，包括若干应力分散型锚杆，所述的若干应力分散型锚杆布置于软岩隧洞的拱部，且呈梅花型布置，所述的应力分散型锚杆包括锚杆和沿着锚杆的长度方向设置的多个锚节，所述的锚节将锚杆分成了粗糙段和光滑段，且粗糙段位于锚杆的首端，其余段为光滑段；所述的光滑段进行光滑处理，使其能实现自由拉伸；所述的粗糙段的锚杆表面与注浆料能紧密黏结；所述的锚节的内径与锚杆直径一致，且内部螺纹与锚杆表面的螺纹形状相匹配，外径小于与钻孔直径；锚杆通过外露端的扩大钢垫板与软岩隧洞中的初期支护钢架连接，形成应力分散型锚固支护体系。

4、作为进一步技术方案，所述锚节的端面与其侧面之间形成的夹角为锚节端部倾角α，且α为锐角。

5、作为进一步技术方案，所述的端部倾角α为30～60°。

6、作为进一步技术方案，所述的锚节外径和锚杆外径的差r1与锚孔内径与锚杆外径的差r2的比值为锚节填充度f，所述的锚节填充度f取0.7-0.8。

7、作为进一步技术方案，所述的光滑段利用润滑油进行光滑处理。

8、作为进一步技术方案，当围岩等级为iv级时，应力分散型锚杆的布置范围为拱顶120°；当围岩等级为v级时，应力分散型锚杆的布置范围160°。

9、作为进一步技术方案，所述应力分散型锚杆在隧洞横截面呈长短间隔布置，当围岩等级为v级时，间距为0.8m，当围岩等级为iv级时，间距为1m；在隧洞纵向呈梅花形布置，当围岩等级为v级时，当围岩等级为iv级，间距为1.2m；相邻锚杆的锚节空间交错分布。

10、作为进一步技术方案，所述的锚杆自由段沿锚杆轴向直径逐渐发生变化，靠近钻孔孔口侧的直径较大，远离钻孔孔口侧的直径较小，其中最大直径与最小直径的比值为0.7～0.8。

11、作为进一步技术方案，所述锚杆采用负泊松比材料制成，中空构造；其中粗糙段的长度不小于锚杆总长度的1/4。

12、作为进一步技术方案，所述锚节采用与锚杆相同材料制作，其为一个短圆柱体，长度约0.1m。

13、上述本发明的实施例的有益效果如下：

14、(1)本发明提出的软岩隧洞拱部围岩应力分散型锚固支护系统中的应力分散型锚杆同时具有高锚固力和高可变形的特征，能较好的应用于软岩锚固支护。相比于全长锚固锚杆(无锚结)，应力分散性锚杆在拉拔过程中能够充分发挥锚固系统的锚固能力，同时具备抵抗围岩大变形的协调能力。

15、(2)在界面黏结强度较低时，应力分散型锚杆可通过锚节对注浆层的挤压作用，将拉拔荷载分散作用于锚固界面，通过增加界面剪应力作用范围来提高锚固力；在界面黏结强度较高时，应力分散型锚杆可通过光滑段的拉伸作用使其产生明显的拉伸变形，从而保证了锚杆适应大变形的能力。

16、(3)锚节形状对锚杆峰值应力和拉拔位移的影响较小，但对注浆层的受力状态影响显著。随着锚节填充度和端部倾角的增加，一方面，注浆层受力的均匀性将得到极大的改善，减小了锚杆光滑段发生渐进破坏的可能性；另一方面，锚节对注浆层的侧向挤压作用得到增强，界面抗剪强度的增加使得锚杆峰值应力和拉拔位移均有提升。在锚节填充度为0.75，锚节端部倾角为45°时，锚节在应力分散型锚杆中的应用最合适。

17、(4)锚固支护系统，通过锚杆的长短结合、梅花形布置及锚节的空间交错分布，在软岩隧道拱部一定范围内，起到系统性的锚固支护效果。

技术特征：

1.一种软岩隧洞拱部围岩应力分散型锚固支护系统，其特征在于，包括若干应力分散型锚杆，所述的若干应力分散型锚杆布置于软岩隧洞的拱部，且呈梅花型布置，所述的应力分散型锚杆包括锚杆和沿着锚杆的长度方向设置的多个锚节，所述的锚节将锚杆分成了粗糙段和光滑段，且粗糙段位于锚杆的首端，其余段为光滑段；所述的光滑段进行光滑处理，使其能实现自由拉伸；所述的粗糙段的锚杆表面与注浆料能紧密黏结；所述的锚节的内径与锚杆直径一致，且内部螺纹与锚杆表面的螺纹形状相匹配，外径小于与钻孔直径；锚杆通过外露端的扩大钢垫板与软岩隧洞中的初期支护钢架连接，形成应力分散型锚固支护体系。

2.如权利要求1所述的软岩隧洞拱部围岩应力分散型锚固支护系统，其特征在于，所述锚节的端面与其侧面之间形成的夹角为锚节端部倾角α，所述的端部倾角α为30～60°。

3.如权利要求1所述的软岩隧洞拱部围岩应力分散型锚固支护系统，其特征在于，所述的锚节外径和锚杆外径的差r1与锚孔内径与锚杆外径的差r2的比值为锚节填充度f，所述的锚节填充度f取0.7-0.8。

4.如权利要求1所述的软岩隧洞拱部围岩应力分散型锚固支护系统，其特征在于，所述的光滑段利用润滑油进行光滑处理。

5.如权利要求1所述的软岩隧洞拱部围岩应力分散型锚固支护系统，其特征在于，当围岩等级为i v级时，应力分散型锚杆的布置范围为拱顶120°；当围岩等级为v级时，应力分散型锚杆的布置范围160°。

6.如权利要求1所述的软岩隧洞拱部围岩应力分散型锚固支护系统，其特征在于，所述应力分散型锚杆在隧洞横截面呈长短间隔布置，当围岩等级为v级时，间距为0.8m，当围岩等级为i v级时，间距为1m；在隧洞纵向呈梅花形布置，当围岩等级为v级时，当围岩等级为iv级，间距为1.2m；相邻锚杆的锚节空间交错分布。

7.如权利要求1所述的软岩隧洞拱部围岩应力分散型锚固支护系统，其特征在于，所述的锚杆自由段沿锚杆轴向直径逐渐发生变化，靠近钻孔孔口侧的直径较大，远离钻孔孔口侧的直径较小，其中最大直径与最小直径的比值为0.7～0.8。

8.如权利要求1所述的软岩隧洞拱部围岩应力分散型锚固支护系统，其特征在于，所述锚杆采用负泊松比材料制成，中空构造。

9.如权利要求1所述的软岩隧洞拱部围岩应力分散型锚固支护系统，其特征在于，粗糙段的长度不小于锚杆总长度的1/4。

10.如权利要求1所述的软岩隧洞拱部围岩应力分散型锚固支护系统，其特征在于，所述锚节采用与锚杆相同材料制作，其为一个短圆柱体。

技术总结本发明公开了一种软岩隧洞拱部围岩应力分散型锚固支护系统，其中，应力分散型锚杆包括锚杆，沿着锚杆的长度方向，在锚杆上设置多个锚节，所述的锚节将锚杆分成了粗糙段和光滑段，且粗糙段位于锚杆的首端，其余段为光滑段；所述的光滑段进行光滑处理，使其能实现自由拉伸；所述的粗糙段的锚杆表面与注浆料能紧密黏结；所述的锚节的内径与锚杆直径一致，且内部螺纹与锚杆表面的螺纹形状相匹配，外径小于与钻孔直径。技术研发人员：张朝轩,舒晓云,张震,刘佳,李威,田云,陈拥军,何明磊受保护的技术使用者：台州学院技术研发日：技术公布日：2024/9/9